JP2015133839A - 磁石埋込型ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の耐減磁性を向上させることのできる磁石埋込型ロータを提供する。【解決手段】この磁石埋込型ロータ５は、複数の磁石挿入孔５１が周方向に並ぶように形成されるロータコア５０と、磁石挿入孔５１に配置される永久磁石６０とを備える。磁石挿入孔５１は、ロータコア内周側からロータコア外周側に向かって延びる一対の直線孔部５２，５３と、一対の直線孔部５２，５３におけるロータコア内周側の部分をそれぞれ連結する連結孔部５４とからなる。永久磁石６０は、一対の直線孔部５２，５３にそれぞれ配置される一対の焼結磁石６１，６２と、連結孔部５４に配置されるボンド磁石６３とにより構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、磁石埋込型ロータに関する。

ロータの内部に界磁用の永久磁石を埋め込んだ構造からなるＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）が知られている。このＩＰＭモータに用いられるロータとしては、特許文献１に記載のロータがある。特許文献１に記載のロータは、円筒状のロータコア、及びロータコアに埋め込まれた複数の永久磁石からなる。ロータコアには、外周側に向けて開くＵ字をなす複数の磁石挿入孔が周方向に並ぶように配置されており、これらの磁石挿入孔にＵ字状の永久磁石がそれぞれ挿入されている。一つのＵ字状の永久磁石は、Ｕ字の内面及び外面に異なる磁極をそれぞれ有しており、ロータコアの外周部分に一磁極を形成する。また特許文献１には、永久磁石の形状として、ロータコアの外周側に開くＶ字をなす形状も開示されている。

特開２０１０−６３２０９号公報

ところで、Ｕ字状やＶ字状の永久磁石を実現するためには、形状の自由度の高いボンド磁石を用いることが有効である。しかしながら、ボンド磁石は一般的に保磁力が低いため、焼結磁石と比較すると、減磁し易いという特性がある。特にボンド磁石がＵ字状あるいはＶ字状をなす場合、ロータコア外周側に位置するＵ字の先端部分やＶ字の先端部分が減磁し易いという問題がある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、永久磁石の耐減磁性を向上させることのできる磁石埋込型ロータを提供することにある。

上記課題を解決する磁石埋込型ロータは、複数の磁石挿入孔が周方向に並ぶように形成されるロータコアと、前記磁石挿入孔に配置される永久磁石と、を備え、前記磁石挿入孔は、ロータコア内周側からロータコア外周側に向かって延びる部分を有するものであり、前記永久磁石は、前記磁石挿入孔における前記ロータコア外周側の部分に配置される焼結磁石と、前記磁石挿入孔における前記ロータコア内周側の部分に配置されるボンド磁石と、により構成される。

磁石挿入孔がロータコア内周側からロータコア外周側に向かって延びる部分を有する場合、その磁石挿入孔に配置された永久磁石は、ロータコア外周側に位置する部分ほど減磁し易くなる。この点、上記構成によれば、永久磁石において減磁の生じ易いロータコア外周側の部分に保磁力の高い焼結磁石が配置されているため、同部分にボンド磁石のみが配置されている場合と比較すると、耐減磁性を向上させることができる。

そして上記磁石埋込型ロータについて、前記磁石挿入孔は、前記ロータコア内周側から前記ロータコア外周側に向かって延びる複数の直線孔部と、前記複数の直線孔部における前記ロータコア内周側の部分をそれぞれ連結する連結孔部と、により構成され、前記焼結磁石は、前記直線孔部に配置され、前記ボンド磁石は、前記連結孔部に配置されることが好ましい。

この構成によれば、磁石挿入孔における直線孔部及び連結孔部のそれぞれの配置や形状等を任意に変更することで、永久磁石全体を例えばＵ字状やＶ字状、コ字状に形成することができる。そのため永久磁石の形状の自由度を向上させることができる。また磁石挿入孔の直線孔部に焼結磁石を配置すれば、焼結磁石として矩形状（棒状）のものを用いることができるため、材料歩留まりの抑制やコストの低減を図ることができる。

ところで、ロータコアの磁石挿入孔に埋め込まれるボンド磁石の着磁は、通常、ロータコアの磁石挿入孔に着磁前のボンド磁石を埋め込みつつ、着磁装置によりロータコアの外周面から着磁前のボンド磁石に磁束を付与することで行われる。このようにロータコアの外周面から磁束の供給を行う場合、ロータコアの内周側の部分ほど磁束が供給され難くなる。ここで、上記のような複数の直線孔部及び連結孔部により磁石挿入孔が構成されている場合、連結孔部は直線孔部よりもロータコア内周側に位置する。そのため連結孔部にボンド磁石を配置すると、ボンド磁石に十分な磁束を供給することが困難となり、ボンド磁石の着磁率が低下する。これはロータコアの外周面での磁束密度を低下させる要因となる。

そこで上記磁石埋込型ロータについて、前記永久磁石として、前記連結孔部に配置される焼結磁石を更に備えることが好ましい。
この構成によれば、予め着磁された焼結磁石を連結孔部に挿入することで、連結孔部にボンド磁石のみが配置されている場合と比較すると、連結孔部から発せられる磁束量を増加させることができる。そのためロータコアの外周面での磁束密度を向上させることができる。これによりモータのステータコイルに鎖交する有効磁束量が増加するため、モータの出力トルクを向上させることができる。

また上記磁石埋込型ロータについて、前記焼結磁石は、前記ボンド磁石により前記ロータコアに固定されていることが好ましい。
この構成によれば、ロータの製造の際、樹脂や接着剤等を用いて焼結磁石を固定する工程が不要となるため、生産性を高めることができる。

この磁石埋込型ロータによれば、永久磁石の耐減磁性を向上させることができる。

磁石埋込型ロータの一実施形態について同ロータを用いたＩＰＭモータの断面構造を示す断面図。 実施形態のロータについてその磁石挿入孔周辺の平面構造を示す平面図。 磁石埋込型ロータの変形例についてその磁石挿入孔周辺の平面構造を示す平面図。 磁石埋込型ロータの他の変形例についてその磁石挿入孔周辺の平面構造を示す平面図。 磁石埋込型ロータの他の変形例についてその磁石挿入孔周辺の平面構造を示す平面図。 磁石埋込型ロータの他の変形例についてその磁石挿入孔周辺の平面構造を示す平面図。 磁石埋込型ロータの他の変形例についてその磁石挿入孔周辺の平面構造を示す平面図。

以下、磁石埋込型ロータの一実施形態について説明する。はじめに本実施形態の磁石埋込型ロータを用いたＩＰＭモータの構造について説明する。
図１に示すように、このＩＰＭモータ１は、ハウジング２の内周面に固定されたステータ３、図示しない軸受を介してハウジング２により軸線ｍを中心に回転可能に支持されたモータシャフト４、及びステータ３の内側に配置されてモータシャフト４の外周に一体的に取り付けられたロータ５を備えている。

ステータ３は軸線ｍを中心に円筒状に形成されている。ステータ３は、その軸方向に複数の電磁鋼板が積層された構成からなる。ステータ３の内周面には、その径方向内側に向かって延びる複数のティース３０が形成されている。各ティース３０にはステータコイル３１が巻回されている。

ロータ５は、軸線ｍを中心に円筒状に形成されたロータコア５０、及びロータコア５０の内部に埋め込まれた永久磁石６０を備えている。ロータコア５０は、その軸方向に複数の電磁鋼板が積層された構成からなる。ロータコア５０には、ロータコア軸方向に直交する断面形状がＵ字をなす複数の磁石挿入孔５１が周方向に等角度間隔で並ぶように形成されている。

詳しくは、図２に示すように、一つの磁石挿入孔５１は、ロータコア径方向に延びるように形成されてロータコア周方向に離間して配置される一対の直線孔部５２，５３、及び一対の直線孔部５２，５３のロータコア内周側の端部をそれぞれ連結する曲線状の連結孔部５４を有している。一対の直線孔部５２，５３及び連結孔部５４は、ロータコア５０を軸方向に貫通するように形成されている。一対の直線孔部５２，５３には焼結磁石６１，６２がそれぞれ配置されており、連結孔部５４にはボンド磁石６３が配置されている。なお、図１及び図２では、焼結磁石６１，６２及びボンド磁石６３を見分け易くするために、焼結磁石６１，６２を濃い点ハッチングで図示し、ボンド磁石６３を薄い点ハッチングで図示している。焼結磁石６１，６２は、例えばフェライト磁石やネオジム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石）、サマリウムコバルト磁石等からなる。ボンド磁石６３は、ネオジム系ボンド磁石やサマリウム鉄系ボンド磁石、フェライト系ボンド磁石等からなる。なお、焼結磁石６１，６２のそれぞれの外周面と直線孔部５２の内壁面との間の隙間にもボンド磁石６３が埋め込まれている。このボンド磁石６３により一対の焼結磁石６１，６２はロータコア５０に対して固定されている。これら一対の焼結磁石６１，６２及びボンド磁石６３により、ロータコア軸方向に直交する断面形状がロータコア外周側に向かって開くＵ字をなす永久磁石６０が構成される。

図２に示すように、焼結磁石６１，６２及びボンド磁石６３は、Ｕ字の内側の部分がＮ極となり、Ｕ字の外側の部分がＳ極となるようにそれぞれ着磁されている。すなわち永久磁石６０はＵ字の内側の部分及び外側の部分に異なる磁極を有している。図１に示すように、ロータコア５０には、図２に示したＵ字の内側の部分がＮ極に着磁された永久磁石６０と、それとは逆にＵ字の内側の部分がＳ極に着磁された永久磁石６０とが周方向に交互に配置されている。これによりロータ５は、その外周部分に周方向に沿ってＮ極及びＳ極を交互に有する多極構造をなしている。

このように構成されたＩＰＭモータ１では、ステータコイル３１に三相の交流電力が供給されると回転磁界が形成される。この回転磁界と、永久磁石６０が形成する磁界とが作用することによりロータ５にトルクが付与され、モータシャフト４が回転する。

なお、本実施形態のロータ５の製造は次のように行われる。まず、電磁鋼板を複数積層してロータコア５０を成形した後、着磁前の焼結磁石６１，６２がロータコア５０の直線孔部５２，５３に挿入される。その後、例えば射出成形等により着磁前のボンド磁石６３を連結孔部５４に埋め込みつつ、着磁装置によりロータコア５０の外周面から磁束を供給することにより、焼結磁石６１，６２及びボンド磁石６３を着磁する。すなわちボンド磁石６３は射出成形と同時に着磁される。このとき、焼結磁石６１，６２のそれぞれの外周面と直線孔部５２の内壁面との間の隙間にもボンド磁石６３が埋め込まれることにより、焼結磁石６１，６２がロータコア５０に固定される。このような工程を経てロータ５の製造が完了する。

次に、本実施形態の磁石埋込型ロータ５の作用及び効果について説明する。
（１）図２に示すように、磁石挿入孔５１がロータコア内周側からロータコア外周側に向かって延びる直線孔部５２，５３を有する場合、永久磁石６０は、ロータコア外周側に位置する部分ほど減磁し易くなる。すなわち、永久磁石６０は、図中の二点鎖線で囲まれる部位Ａ１，Ａ２で減磁し易くなる。この点、本実施形態のロータ５では、永久磁石６０において減磁の生じ易いロータコア外周側の部分に保磁力の高い焼結磁石６１，６２が配置されているため、同部分にボンド磁石のみが配置されている場合と比較すると、耐減磁性を向上させることができる。

（２）ロータコア径方向に延びるように形成される一対の直線孔部５２，５３と、それらのロータコア内周側の部分をそれぞれ連結する連結孔部５４とによりＵ字状の磁石挿入孔５１を構成することとした。そして一対の直線孔部５２，５３に焼結磁石６１，６２をそれぞれ配置し、連結孔部５４にボンド磁石６３を配置することとした。このように直線孔部５２，５３に焼結磁石６１，６２を配置すれば、焼結磁石６１，６２として矩形状（棒状）のものを用いることができるため、材料歩留まりの抑制やコストの低減を図ることができる。

（３）ロータコア５０に対する焼結磁石６１，６２の固定をボンド磁石６３を利用して行うこととした。これにより、ロータ５の製造の際、例えば射出成形等で磁石挿入孔５１にボンド磁石６３を埋め込むだけで、ロータコア５０に対する焼結磁石６１，６２の固定が完了するため、従来のような樹脂や接着剤等を用いて焼結磁石６１，６２をロータコア５０に固定する工程が不要となる。これによりロータ５の製造工数を低減することができるため、生産性を高めることができる。また、非磁性材からなる樹脂や接着剤等で焼結磁石６１，６２の固定を行うと、焼結磁石６１，６２から発せられる磁束が樹脂や接着材等で遮断されるおそれがあるが、焼結磁石６１，６２の固定をボンド磁石６３で行えば、焼結磁石６１，６２から発せられる磁束が遮断され難くなる。そのため焼結磁石６１，６２の固定を樹脂や接着剤等を用いて行う場合と比較すると、本実施形態のロータ５の方が永久磁石６０から発せられる磁束量が増加する。これによりステータコイル３１に鎖交する有効磁束量を増加させることができるため、モータ１の出力トルクを向上させることができる。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、一対の直線孔部５２，５３をロータコア径方向に延びるように形成したが、例えば図３に示すように、一対の直線孔部５２，５３を、ロータコア径方向と交差する方向に延びるように形成してもよい。要は、一対の直線孔部５２，５３は、ロータコア内周側からロータコア外周側に向かって延びるように形成されていればよい。

・上記実施形態では、磁石挿入孔５１及び永久磁石６０をＵ字状に形成したが、磁石挿入孔５１及び永久磁石６０のそれぞれの形状は適宜変更可能である。例えば図４に示すように、磁石挿入孔５１の連結孔部５４をロータコア径方向に対して直交する方向に直線状に延びるように形成することにより、磁石挿入孔５１及び永久磁石６０をコ字状に形成してもよい。あるいは、図５に示すように、磁石挿入孔５１を、ブリッジ部５５を介してＶ字状に配置された一対の直線孔部５２，５３により構成してもよい。なお、図５に示すように磁石挿入孔５１をＶ字状に形成する場合、図中に示すように、一対の直線孔部５２，５３のそれぞれのロータコア内周側の端部にボンド磁石６４，６５を配置し、それ以外の部分に焼結磁石６１，６２を配置してもよい。あるいは、図６に示すように、一対の直線孔部５２，５３のそれぞれのロータコア外周側の端部に焼結磁石６１，６２を配置し、それ以外の部分にボンド磁石６４，６５を配置してもよい。図４〜図６のいずれの構造を採用した場合でも、永久磁石６０において減磁の生じ易いロータコア外周側の部分に焼結磁石６１，６２が配置されるため、耐減磁性を確保することが可能である。

・上記実施形態では、ロータ５の製造の際、焼結磁石６１，６２及びボンド磁石６３を着磁するための磁束をロータコア５０の外周面から供給することとしたが、このようなボンド磁石６３の着磁方法を用いた場合、ロータコアの内周側の部分ほど磁束が供給され難くなる。ここで、磁石挿入孔５１が図２に示す一対の直線孔部５２，５３及び連結孔部５４により構成されている場合、連結孔部５４は直線孔部５２，５３よりもロータコア内周側に位置する。そのため連結孔部５４にボンド磁石６３を配置すると、ボンド磁石６３に十分な磁束を供給することが困難となり、ボンド磁石６３の着磁率が低下するおそれがある。これはロータコア５０の外周面での磁束密度を低下させる要因となる。そこで磁石挿入孔５１を図４に示す態様と同様にコ字状に形成した上で、例えば図７に示すように、連結孔部５４に焼結磁石６６を配置してもよい。これにより、図４に示すように連結孔部５４にボンド磁石６３のみが配置されている場合と比較すると、連結孔部５４から発せられる磁束量が増加する。そのためロータコア５０の外周面での磁束密度を向上させることができる。これによりステータコイル３１に鎖交する有効磁束量が増加するため、モータ１の出力トルクを向上させることができる。

・上記実施形態では、着磁前の焼結磁石６１，６２，６６をロータコア５０の直線孔部５２，５３又は連結孔部５４に挿入したが、予め着磁された焼結磁石６１，６２，６６を直線孔部５２，５３又は連結孔部５４に挿入してロータ５を製造してもよい。

・ロータ５の磁極数は適宜変更可能である。またロータ５の磁極数の変更に併せて、ロータに設けられる磁石挿入孔５１及び永久磁石６０のそれぞれの個数を適宜変更してもよい。

・ロータコア５０の材質として、電磁鋼板に代えて、電磁軟鉄を用いてもよい。

５…磁石埋込型ロータ、５０…ロータコア、５１…磁石挿入孔、５２，５３…直線孔部、５４…連結孔部、６０…永久磁石、６１，６２，６６…焼結磁石、６３，６４，６５…ボンド磁石。

Claims (4)

1. 複数の磁石挿入孔が周方向に並ぶように形成されるロータコアと、
   前記磁石挿入孔に配置される永久磁石と、を備え、
   前記磁石挿入孔は、ロータコア内周側からロータコア外周側に向かって延びる部分を有するものであり、
   前記永久磁石は、
   前記磁石挿入孔における前記ロータコア外周側の部分に配置される焼結磁石と、
   前記磁石挿入孔における前記ロータコア内周側の部分に配置されるボンド磁石と、により構成されることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
2. 請求項１に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記磁石挿入孔は、
   前記ロータコア内周側から前記ロータコア外周側に向かって延びる複数の直線孔部と、
   前記複数の直線孔部における前記ロータコア内周側の部分をそれぞれ連結する連結孔部と、により構成され、
   前記焼結磁石は、前記直線孔部に配置され、
   前記ボンド磁石は、前記連結孔部に配置されることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
3. 請求項２に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記永久磁石として、前記連結孔部に配置される焼結磁石を更に備えることを特徴とする磁石埋込型ロータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁石埋込型ロータにおいて、
   前記焼結磁石は、前記ボンド磁石により前記ロータコアに固定されていることを特徴とする磁石埋込型ロータ。